西安交通大學(xué)非電量電測(cè)課件-第6章_電動(dòng)勢(shì)式傳感器

1、第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器第第六六章章 電電動(dòng)勢(shì)動(dòng)勢(shì)式傳感器式傳感器6.1 磁電式傳感器磁電式傳感器 磁電式傳感器是一種利用電磁感應(yīng)原理，將運(yùn)動(dòng)磁電式傳感器是一種利用電磁感應(yīng)原理，將運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出的傳感器。速度轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出的傳感器。 第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器一工作原理一工作原理電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律 dtdNedtdxBlBlve 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈對(duì)磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)線速度或角感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈對(duì)磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)線速度或角速度成正比，速度成正比，因此磁電式傳感器用于測(cè)量線速度與角因此磁電式傳感器用于測(cè)量線速度與角速度。速度。 在測(cè)量電路中接入微分或積分電路則可用來(lái)測(cè)量在測(cè)

2、量電路中接入微分或積分電路則可用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)的位移和加速度。運(yùn)動(dòng)的位移和加速度。 第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器二傳感器的靈敏度二傳感器的靈敏度1BdtdxeS三三 測(cè)量電路測(cè)量電路第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器 四應(yīng)用舉例四應(yīng)用舉例 1振動(dòng)速度傳感器振動(dòng)速度傳感器 第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器 2直流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī) 它的結(jié)構(gòu)類似小型直流電機(jī)，大多采用永磁勵(lì)磁方它的結(jié)構(gòu)類似小型直流電機(jī)，大多采用永磁勵(lì)磁方式，其輸出直流電壓為式，其輸出直流電壓為 nKUe 一般的直流伺服電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)與測(cè)速電機(jī)相同，但由一般的直流伺服電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)與測(cè)速電機(jī)相同，但由于測(cè)量誤差較大，在測(cè)量精度要求較高時(shí)不能用作測(cè)速發(fā)于測(cè)量誤差較大，在

3、測(cè)量精度要求較高時(shí)不能用作測(cè)速發(fā)電機(jī)電機(jī)沒有相位誤差，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格貴、會(huì)產(chǎn)生高頻干擾沒有相位誤差，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格貴、會(huì)產(chǎn)生高頻干擾第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器3交流測(cè)速發(fā)機(jī)交流測(cè)速發(fā)機(jī) KnU 0第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器4磁電式轉(zhuǎn)速傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出頻率輸出頻率 60Nnf 第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器5電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)BdvE vdQ241因?yàn)橐驗(yàn)樗运訯dBE4第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器 壓電傳感是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種有源壓電傳感是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種有源傳感器。在外力作用下，某些物質(zhì)變形后其表面會(huì)產(chǎn)生電傳感器。在外力作用下，某些物質(zhì)變形后其表面會(huì)產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量

4、電測(cè)的目的。荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。 壓電傳感器尺寸小，重量輕，工作頻率寬，可測(cè)量變壓電傳感器尺寸小，重量輕，工作頻率寬，可測(cè)量變化很快的動(dòng)態(tài)壓力、加速度、振動(dòng)等?；芸斓膭?dòng)態(tài)壓力、加速度、振動(dòng)等。第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器一一壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)物質(zhì)，當(dāng)沿一定方向受到外力作用而變形某些電介質(zhì)物質(zhì)，當(dāng)沿一定方向受到外力作用而變形時(shí)，在它的兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)將外力去時(shí)，在它的兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)將外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器xyF+ +- - - - - - - -

5、xy+ +- - - - - - - -Fxy- - - - - - - -+ +Fxy+ +- - - - - - - -F沿沿X軸方向受壓力軸方向受壓力沿沿X軸方向受拉力軸方向受拉力沿沿Y軸方向受壓力軸方向受壓力沿沿Y軸方向受拉力軸方向受拉力晶片上電荷的極性與受力方向的關(guān)系晶片上電荷的極性與受力方向的關(guān)系第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器二壓電材料二壓電材料1壓電晶體壓電晶體石英晶體（石英晶體（SiO2），鈮酸鋰），鈮酸鋰(LiNbO3)，鉭酸鋰，鉭酸鋰(LiTaO3)，鍺酸鋰鍺酸鋰(LiGeO3)2壓電陶瓷壓電陶瓷鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiO3），鋯鈦酸鋇（），鋯鈦酸鋇（PZT）等）等聚二氟乙烯（聚二氟

6、乙烯（PVF2）高分子壓電材料）高分子壓電材料第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器未極化時(shí)，電疇排列雜未極化時(shí)，電疇排列雜亂無(wú)章。呈中性，不具亂無(wú)章。呈中性，不具有壓電性質(zhì)。有壓電性質(zhì)。在施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇在施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇轉(zhuǎn)到與外電場(chǎng)一致。轉(zhuǎn)到與外電場(chǎng)一致。+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 極化后，兩端出現(xiàn)束縛電荷，極化后，兩端出現(xiàn)束縛電荷，吸引一層外來(lái)電荷，因而仍呈吸引一層外來(lái)電荷，因而仍呈中性。在外力的作用下，極化

7、中性。在外力的作用下，極化電疇變化使兩極板上電荷變化。電疇變化使兩極板上電荷變化。第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器三壓電傳感器的等效電路三壓電傳感器的等效電路aCqU hACaaaCC aCqU 1. 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器2. 壓電晶片的連接方式壓電晶片的連接方式串聯(lián)串聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)CCUUQQ2,22,2,CCUUQQ第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器2,2,CCUUQQ2,2,CCUUQQ四壓電傳感器的測(cè)量電路（前置放大器）四壓電傳感器的測(cè)量電路（前置放大器）1. 電壓放大器電壓放大器采用電壓放大器要采用電壓放大器要考慮的兩個(gè)主要問考慮的兩個(gè)主要問題題 （1）輸入電阻要大）輸入電

8、阻要大電路的時(shí)間常數(shù)是由等效電阻及等效電容來(lái)決定的電路的時(shí)間常數(shù)是由等效電阻及等效電容來(lái)決定的 前置放大器有兩個(gè)作用：前置放大器有兩個(gè)作用： (1) 放大傳感器輸出的微弱信號(hào)；放大傳感器輸出的微弱信號(hào)； (2) 將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器（2） 測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度與連接電纜的分布電容有關(guān)測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度與連接電纜的分布電容有關(guān)傳感器的輸出電壓或電壓放大器的輸入電壓傳感器的輸出電壓或電壓放大器的輸入電壓 iCaiCCCqu 可見，當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長(zhǎng)度可見，當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長(zhǎng)度時(shí)，時(shí)，CC 將改

9、變，將改變，ui 也隨之變化，從而使整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的也隨之變化，從而使整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓與電纜電容有關(guān)輸出電壓與電纜電容有關(guān) 為了保證測(cè)量系統(tǒng)有一定的帶寬，要求輸入電阻一定要大為了保證測(cè)量系統(tǒng)有一定的帶寬，要求輸入電阻一定要大)(/(icaiaCCCRRRC第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器2、電荷放大器、電荷放大器電荷放大器是一個(gè)有反饋電容的高增益運(yùn)算放大器電荷放大器是一個(gè)有反饋電容的高增益運(yùn)算放大器 )U(UCUCUCUCqoifiiiciaioAUU在不考慮電荷泄漏的情況下（不考慮電阻）在不考慮電荷泄漏的情況下（不考慮電阻）第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器ificaUCACCC)1 ()AU(UCUCUCUCq

10、iifiiiciafficaioCqCACCCAqAUU)1 (ficaiCACCCqU)1 ( 在電荷放大器中，輸出電壓與電纜電容無(wú)關(guān)，只與電在電荷放大器中，輸出電壓與電纜電容無(wú)關(guān)，只與電荷成正比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)荷成正比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn) 第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器電路的時(shí)間常數(shù)是由等效電阻及等效電容來(lái)決定的電路的時(shí)間常數(shù)是由等效電阻及等效電容來(lái)決定的fificaiaACRCACCCRR)1 ()/(ficaCACCCC)1 ( )/(iaRRR 與使用電壓放大器相比時(shí)間常數(shù)要大得多，對(duì)輸入電與使用電壓放大器相比時(shí)間常數(shù)要大得多，對(duì)輸入電阻的要求相對(duì)降低阻的要求相對(duì)降低 第六章電

11、動(dòng)勢(shì)式傳感器五應(yīng)用舉例五應(yīng)用舉例1壓電加速度傳感器壓電加速度傳感器2壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器3基于壓電效應(yīng)的超聲波傳感器基于壓電效應(yīng)的超聲波傳感器(1) 探傷探傷(2) 側(cè)厚側(cè)厚(3) 檢測(cè)材料檢測(cè)材料第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器6.3 霍爾傳感器霍爾傳感器一霍爾元件的基本工作原理一霍爾元件的基本工作原理1半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng) 在圖中所示的半導(dǎo)體薄片兩端通以電流在圖中所示的半導(dǎo)體薄片兩端通以電流I，并在薄片，并在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，那么，在垂直的磁場(chǎng)，那么，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電勢(shì)于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電勢(shì)E

12、H（稱為霍爾電動(dòng)（稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)）。這種現(xiàn)象成為霍爾效應(yīng)。勢(shì)）。這種現(xiàn)象成為霍爾效應(yīng)。 第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器2工作原理工作原理)(VdIBREHHIBKEHH3. 基本電路基本電路第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器二二 霍爾元件的測(cè)量誤差及其補(bǔ)償霍爾元件的測(cè)量誤差及其補(bǔ)償 1不等位電勢(shì)及其補(bǔ)償不等位電勢(shì)及其補(bǔ)償IBKEUHHo當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)輸出電壓應(yīng)該為零，如果此時(shí)輸出電壓不當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)輸出電壓應(yīng)該為零，如果此時(shí)輸出電壓不為零，即意味著存在著一個(gè)零位誤差為零，即意味著存在著一個(gè)零位誤差不等位電勢(shì)。不等位電勢(shì)。第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器2溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差及其補(bǔ)償IBKEUHHo)1 (0t

13、RRii)1 (0tKKHH補(bǔ)償方法補(bǔ)償方法（1）恒流源供電）恒流源供電第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器（2）恒流源供電再并一個(gè)合適的電阻）恒流源供電再并一個(gè)合適的電阻當(dāng)溫度為當(dāng)溫度為 T0 時(shí)時(shí) 0iiRR 0HHKKIrRrIpiPH00BIKUHHo000BIKEHHH000當(dāng)溫度為當(dāng)溫度為 T 時(shí)時(shí) )1 (0tRRii)1 (0tKKHH第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器IrRrIpipHBItKBIKUHHHHo)1 (0要求溫度變化時(shí)輸出不變要求溫度變化時(shí)輸出不變 即即0ooUU BIKBItKHHHH000)1 (0)1 (HHIItIrRrIrRrtpippip0)1 (pipirRrRt0)1 (第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器piipipirRtRrRrtRt00001)1 ()1 (piirRR000ipRr第六章電動(dòng)勢(shì)式傳感器三霍爾傳感器的使用三霍爾傳感器的使用1主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)（1）輸入電阻（）輸入電阻（RIN）和輸出電阻（）和輸出電阻（Rout）（2）額定控制電流）額定控制電流 IC（3）寄生直流電勢(shì)）寄生直流電勢(shì)UOD（4）不等位電勢(shì)不等位電勢(shì)U0和不等位電阻和不等位電阻R0 （不等位電勢(shì)與額定控制電流之比稱為不等位電阻。）（不等位電勢(shì)與額定控制電流之比稱為不等位電阻。）（5）靈敏度）靈敏度KH（6）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)（7）